荧光化学探针是一类重要的成像工具，可以识别特定的生物分子，广泛应用于生物学和医学领域，具有操作简单、空间分辨率高、实时成像和灵敏度高等优点。荧光化学探针由结合分析物受体部分和输出荧光信号的指示剂部分组成。目前最常用的构筑荧光化学探针的方法是直接传感，即通过共价合成将受体和指示剂连接起来。
指示剂置换分析（IDA）是基于超分子主体和荧光指示剂以及分析物之间的竞争包结原理的一种超分子荧光传感策略。主体包结指示剂，改变其荧光性质。加入分析物后，将指示剂从主体空腔中置换出来，指示剂的荧光性质恢复，从而产生信号响应。经过多年发展，IDA已经成为另外一种构筑荧光化学探针的经典方法，广泛应用于各种分析物的荧光传感。IDA具有多方面优势，如容易构筑及优化探针性质、易于建立传感阵列等。然而，IDA用于生物成像具有一定的局限性。首先，大部分主体和指示剂间的结合能力不足，未被包结的指示剂会产生干扰信号。其次，对于结合能力强的主客体对，键合诱导的荧光淬灭通常不够完全，甚至许多情况下引起荧光上升，这导致成像时背景噪音很大。更为重要的是，当主体包结的指示剂被分析物置换后，指示剂分散于体系的各处，而不是和分析物处于相同位置，影响成像的空间精准程度。
针对传统IDA存在的上述问题，近日，南开大学郭东升教授课题组与肖乐辉教授课题组合作，基于大环两亲的分子识别和自组装，结合福斯特共振能量转移（FRET）机制和IDA策略，提出了一种新的超分子成像策略，用于靶向特定分子的细胞成像。在此FRET辅助的IDA策略中，首先将疏水的FRET给体负载于大环两亲组装体的内层。然后，将FRET受体包结在大环主体的空腔中，有效淬灭FRET给体的荧光，最大限度地减少成像背景噪音的产生，形成关闭状态的超分子荧光传感器。当遇到可以和大环主体键合的分析物时，分析物和FRET受体与主体的竞争键合导致FRET受体从主体空腔中释放，伴随着给体荧光的恢复。此时，FRET给体仍负载在两亲聚集体上，不会被释放，从而确保荧光信号和分析物定位于空间中的相同位置。
在该工作中，作者设计制备了胍基修饰杯[5]芳烃（GC5A-12C）的两亲组装体作为操作平台，负载市售疏水荧光染料，二萘嵌苯（PE）和双苯乙炔基蒽（BPEA）作为FRET给体。荧光光谱、单粒子成像表明所构筑的粒子具有良好的荧光强度和单分散性。进而，根据GC5A-12C和FRET受体的结合能力、给受体间的光谱重叠、福斯特半径等关键参数，选用了荧光素（Fl）、橙黄G（OG）和四溴荧光素（EY）作为FRET受体。利用GC5A-12C空腔包结FRET受体分子，以可调节的方式有效淬灭给体的荧光，构筑了处于关闭状态的超分子荧光探针。所设计的GC5A-12C对FRET受体键合较强，可以有效抵抗细胞内其它生物分子竞争导致的干扰信号。最后，得益于GC5A-12C对三磷酸腺苷（ATP）的超强键合能力，验证了所设计探针对于ATP的成像能力，实现了活细胞线粒体内ATP的成像，概念性验证了所提出FRET辅助IDA策略的可行性。
在现有的共价方法之外，该工作为生物荧光成像拓展了一种非共价策略，具有优良的通用性、简便性、可调节性。该策略同样适用于其他大环两亲分子，从而借助大环分子的识别选择性实现多种生物分析物的荧光成像。还可以便捷地通过非共价方式引入具有不同波长、信噪比和亮度的给体/受体对，以实现对成像性能的精准微调。文章的第一作者是郭东升教授课题组博士生耿文超和肖乐辉教授课题组博士生叶中菊。
来源：南开大学
论文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202104358
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